PREPARASI DAN KARAKTERISASI  -Fe 2 O 3 /ZEOLIT Y UNTUK REAKSI PERENGKAHAN ASAM PALMITAT
Abdulloh Abdulloh * , Purkan Purkan, Nizar Hardiansyah
Departemen Kimia Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga
* email: abdulloh@.fst.unair.ac.id
Received 16 Oktober 2017 Accepted 28 Nopember 2017

## Abstrak
Telah  dilakukan  preparasi  dan  karakterisasi  -Fe 2 O 3 /zeolite  Y  sebagai  katalis  uji  reaksi perengkahan  asam  palmitat.  Zeolit  A  disintesis  dari  NaOH,  NaAlO 2 dan  TEOS  dengan metode  kristalisasi  bertahap.  Katalis  -Fe 2 O 3 /zeolite  Y  disiapkan  melalui  metode impregnasi  menggunakan  larutan  Fe(NO 3 ) 3 1  M  dan  proses  kalsinasi  pada  suhu  500 o C dengan  dialiri  gas  N 2 selama  5  jam.  Katalis  dikarakterisasi  dengan  X-Ray  Diffraction (XRD),  Fourier  Transform  InfraRed  (FT-IR  dan surface  area  analyzer menggunakan metode Brunaeur-Emmet-Teller (BET). Uji aktivitas katalis dilakukan pada suhu 380 – 400 o C.  Analisis  Gas  Chromatography  Mass  Spectrometry  (GC-MS)  terhadap  hasil  reaksi perengkahan menunjukkan terbentuknya senyawa-senyawa hidrokarbon seperti alkana dan alkena yang memiliki rantai karbon lebih pendek dari asam palmitat atau biogasoline
Katakunci : impregnasi ,  -Fe 2 O 3 /zeolit  Y,  reaksi  perengkahan,  asam  palmitat dan biogasoline

## Abstract
It  had  been  done  preparation  and  characterization  of  -Fe 2 O 3 /zeolite  A  as  test  catalytic cracking  reaction  of  palmitic  acid.  Zeolite  Y  was  synthesized  from  NaOH,  NaAlO 2 and TEOS by phased crystallization method. The  -Fe 2 O 3 /zeolite A catalyst was prepared by impregnated method using solution of Fe (NO 3 ) 3 1 M and calcinated process at 500 o C with N 2 gas  for  5  hours.  The  catalyst  is  characterized  by  X-Ray  Diffraction  (XRD),  Fourier Transform InfraRed (FT-IR) and surface area analyzer with Brunaeur-Emmet-Teller (BET) method.  The  catalytic  activity  test  was  done  at  a  temperature  of  380  -  400 o C.  The  Gas Chromatography Mass Spectrometry (GC-MS) analysis of cracking reaction product shows the  formation  of  hydrocarbon  compounds  such  as  alkanes  and  alkenes  that  have  shorter carbon chains than palmitic acid or biogasoline.
Keywords : impregnation,  -Fe 2 O 3 /zeolite  Y,  cracking  reaction,  palmitic  acid  and biogasoline

## Pendahuluan
Konsumsi bahan bakar minyak (BBM) dari minyak bumi (fosil) di Indonesia dari tahun  ke  tahun  mengalami  peningkatan. Secara  total,  kenaikan  konsumsi  BBM pada semester I tahun 2017 naik 4 % , dari
31,7 juta kL pada tahun 2016 menjadi 32,6 juta  kL  pada  tahun  2017  (Sihombing, 2017).  Berdasarkan  data  PT  Pertamina (Persero), impor minyak mentah diperkirakan juga mengalami kenaikan 5% sepanjang tahun 2017, dari 134 juta barel
menjadi  140  juta  barel  (Zuhri  2017).  Hal ini  dapat  menimbulkan  krisis  energi  dan ekonomi  di  Indonesia  bila  tidak  segera diatasi. Untuk mengurangi masalah tersebut, penggunaan bahan bakar alternatif  adalah  solusi  yang  paling  tepat. Salah  satu  bahan  bakar  alternatif  adalah biogasoline,  yaitu  jenis  gasoline  (bensin) yang terbuat dari sumber daya alam  yang dapat diperbarui.
Biogasoline dapat disintesis dari minyak  (TG; triglyceride )  atau  asam lemak  bebas  (FFA; free  fatty  acid )  yang berasal  dari  minyak  nabati,  minyak hewani,  minyak  goreng  bekas  melalui reaksi  perengkahan  ( cracking ).  Reaksi cracking dapat dilakukan pada suhu tinggi (± 800 o C) dan tekanan rendah (700 kPa) biasanya  disebut thermal  cracking ,  pada suhu  dan  tekanan  tinggi  disertai  gas  H 2 ( hydrocracking ) dan menggunakan katalis ( catalytic cracking ). Pada catalytic cracking, katalis harus memiliki stabilitas termal pada suhu tinggi, jumlah situs asam yang  cukup  memadai  dan  pori  yang memungkinkan  reaktan  bisa  menjangkau situs aktif (situs asam).
Salah satu bahan yang biasa digunakan sebagai katalis maupun pengemban katalis ( supported catalyst ) yang biasanya digunakan  untuk  reaksi cracking adalah zeolit. Lokhande et al. (2015), menyatakan bahwa  zeolit  sebagai metal  supported catalyst memiliki  aktivitas  katalitik  yang tinggi, porositas yang besar dan stabil pada suhu  tinggi.  Zeolit  dapat  dimodifikasi dengan logam transisi untuk meningkatkan stabilitas termal dan keasaman zeolit yang dapat mempengaruhi aktivitas dan selektivitas katalis serta laju pembentukan kokas  (Cornet  dan  Chambellan,  1985). Beberapa  logam  transisi  dengan work function yang  tinggi  sering  digunakan modifikasi zeolit adalah Pt, Pd, Ni, Co, Rh, Ru,  Cu,  dan  Fe.  Diantara  logam  transisi tersebut,  Fe  merupakan  logam  transisi yang  realtif  murah.  Adapun  salah  bahan baku pembuatan biogasoline adalah asam palmitat. Abdulloh et al. (2014) melaporkan  bahwa  asam  palmitat  dapat
ditemukan  dalam  minyak  sawit  merah (42,47%), minyak sawit (36,77%), minyak jagung  (12,43%),  minyak  kelapa  (9,16%) dan  minyak  jarak  (11,30%).  Produk hewani  juga  banyak  mengandung  asam lemak  ini.  Berdasarkan  uraian  tersebut, dilakukan  preparasi  dan  karakterisasi katalis  Fe 2 O 3 /zeolit  Y  untuk  sintesis biogasoline dari asam.

## Metode Penelitian

## Alat dan Bahan
Alat-alat yang digunakan pada penelitian ini adalah XRD,  FTIR, Surface Area Analyzer dengan  metode BET, GC- MS, oven , tubular furnace , centrifuge , refluks, neraca analitik, hotplate , botol PP (polipropilen),  pengaduk  magnetik,  serta beberapa  peralatan  gelas  laboratorium lainnya.  Adapun  bahan  yang  digunakan pada  penelitian  ini  adalah  NaAlO 2 ,
(Sigma-aldrich, 50%), tetra etil orto silikat (TEOS)  (Merck,  99%),  NaOH  (Merck, 99%),  akuades,  gas  N 2 ,  Fe(NO 3 ) 3  9H 2 O (Sigma-Aldrich,  98%)  dan  asam  palmitat (Sigma-Aldrich, 97,5 %).
Preparasi dan karakterisasi  - Fe 2 O 3 /zeolit Y
Sintesis  zeolit  Y  dilakukan  melalui metode kristalisasi bertahap (Huang et al., 2010). Disiapkan tiga jenis larutan dengan melarutkan 19,32 g NaOH ke dalam 50 mL akuades, 4,92 g NaAlO 2 ke dalam 50 mL akuades dan 33,78 mL TEOS ke dalam 59 mL  akuades.  Semua  bahan  tersebut kemudian  dimasukkan ke dalam botol PP dan  diaduk  selama  2  jam,  proses hidrotermal  pada  suhu  40°C  selama  24 dilanjutkan  dengan  kristalisasi  pada  suhu pada  suhu  60°C  selama  96  jam. Selanjutnya, campuran disaring dan dicuci dengan akuades sampai pH netral. Padatan yang  dihasilkan  dikeringkan  dalam  oven pada  suhu  100°C  selama  24  jam  dan dikalsinasi  menggunakan tubular  furnace pada  suhu  550˚C  sambil  dialiri  gas  N 2 selama  1  jam  dan  udara  bebas  selama  6 jam.  Selanjutnya  dilakukan  karakterisasi dengan XRD dan FTIR untuk memastikan
terbentuknya  zeolit  Y.  Untuk  preparasi katalis  -Fe 2 O 3 /zeolit,  kedalam  100  mL larutan  Fe 2 O 3 1  M  dimaksudkan  5  gram zeolit  Y  hasil  sintesis  dan  direfluks  pada suhu  80 o C  selama  6  jam.  Campuran selanjutnya disaring, padatan yang dihasilkan  dikeringkan  dalam  oven  pada suhu 105 o C selama 24 jam dan dikalsinasi menggunakan tubular  furnace pada  suhu 500 o C selama 5 jam sambil dialiri gas N 2 .
Uji aktivitas katalis  -Fe 2 O 3 /zeolit Y Reaksi cracking
dilakukan menggunakan  metode modified  simple cracking (Prado  and  Filho,  2009). Sebanyak  5  gram  asam  palmitat  dan  0,5 gram katalis  -Fe 2 O 3 kedalam labu reaksi yang  telah  dilengkapi  dengan  kolom fraksinasi,  kondensor  dan  termokopel. Reaksi cracking dilaksanakan  dengan memanaskan  labu  reaksi  ke  dalam penangas  pasir  pada  suhu  380  –  400 o C. Setelah  3  jam  reaksi  dihentikan,  setelah dingin ke dalam labu reaksi dimasukkan 5 mL  n-heksan.  Katalis  yang  merupakan fasa  padat  dalam  campuran  kemudian dipisahkan  dengan  centrifugasi  dan  fasa
cair (produk reaksi dan reaktan) dianalisis dengan GC-MS.

## Hasil dan Pembahasan
Karakteristik katalis  -Fe 2 O 3 /zeolit Y Dari  difraktogram  hasil  karakterisasi XRD diperoleh puncak pada sudut 2θ 6,19, 11.73  15,46  dan  23,42 o yang  merupakan puncak  karakteristik  zeolit  Y  dan  puncak pada  sudut  2θ  7,25,  16,21,  24.03,  26.25 dan  30,12 o yang  merupakan  puncak karakteristik  zeolit  A.  Selain  itu,  terdapat pula  puncak  pada  sudut  2θ  10,19,  12,56, 20,38,  21,76,  27,23,  30,98,  32,72,  34,25, 41,49,  44,29,  47,45  dan  49,15˚  yang merupakan  puncak  difraktogram  milik zeolit Y dan Zeolit A (Gambar 1). Zeolit Y dan zeolit A memiliki kerangka inti kristal yang  sama,  yaitu  sodalit.  Kerangka  zeolit Y  terbentuk  dari  rangkaian  sodalit  yang dihubungkan  membentuk  cincin  ganda  6 dan  kerangka  zeolit  A  terbentuk  dari rangkaian  sodalit  yang  dihubungkan membentuk cincin ganda 4.  Pada sintesis zeolit  Y  dengan  metode  kristalisasi bertingkat,  sodalit  terbentuk  pada  proses hidrotermal (Jiang et al., 2011).
Gambar 1. Difraktogram zeolit Y dan  -Fe 2 O 3 /zeolit Y (A: zeolit A dan Y: zeolit Y)
10 15 20 25
30 35 40 45 50 2  (Derajat) Int ensi tas (a.u ) A Y Y Y A A A A A Y  -Fe 2 O 3 /zeolit Y Zeolit Y A Y A Y A Y A Y A Y A Y A Y
Gambar 2. Spektrum zeolit Y dan  -Fe 2 O 3 /zeolit Y
2 6H O 3 3 2 3 3 2 Fe(NO ) 9H O
Fe(NO ) 3H O     (1)
3 HNO 3 3 2 3 2 2 Fe(NO ) 3H O
Fe(OH)(NO ) 2H O     (2)
3 2
HNO ,-H O
3 2 2 2 3
Fe(OH)(NO ) 2H O Fe(OH) NO     (3)
3 HNO 2 3 Fe(OH) NO -FeOOH    (4)
2 H O 2 3 2 -FeOOH -Fe O  
   (5) 3 2
2 2 2
12HNO 4NO + 4N O + 9O + 6H O   (6)
Hasil analisis spektrum FTIR
menunjukkan adanya puncak serapan pada bilangan  gelombang  3466,  1633,  1384, 987, 752, 677, 565, dan 464 cm -1 (Gambar
2).  Puncak  serapan  pada  3466  cm -1 menunjukkan  adanya  gugus  OH  dari molekul air pada zeolit. Adanya gugus OH juga  didukung  oleh  puncak  serapan  pada 400  –  600  cm -1 .  Puncak  serapan  yang terjadi  pada  987  cm -1 juga  menunjukkan adanya gugus OH dari molekul air, vibrasi asimetris dan simetris T-O internal, vibrasi tekuk  T-O  internal,  ikatan double  ring eksternal, vibrasi asimetris dan simetris T- O eksternal (T adalah Si atau  Al). Adapun puncak serapan pada 1384  dan 1633 cm -1 menunjukkan  adanya  logam  dalam  zeolit yang telah diembankan, yaitu Fe (Godhani, Nakum, Parmar, Mehta, & Desai, 2017).
Keberadaan logam Fe dalam zeolit juga ditandai oleh adanya perubahan intensitas pada  beberapa  puncak  sudut  2θ,  yaitu 10,19,  11,73,  15,46,  23,43,  24,03,  26,25, 27,23  dan  34,25.  Selain  itu  muncul  pula puncak  baru  pada  sudut  2θ  26,39  dan 31,17.  Terdapat  juga  peak  yang  muncul pada difraktogram zeolit Y, namun hilang pada difraktogram  -Fe 2 O 3 /zeolit Y yaitu pada  sudut  2θ  6,19,  11,73,  16,21,  24,03, 27,23,  32,72  dan  34,25.  Perbedaan difraktogram  ini  menunjukkan  bahwa katalis  -Fe 2 O 3 /zeolit  Y  telah  berhasil disintesis  melalui  metode  impregnasi menggunakan  larutan  Fe(NO 3 ) 3 .  Hasil analisis surface  analyzer dengan  metode BET  menunjukkan  bahwa  katalis  - Fe 2 O 3 /zeolit  Y  termasuk  dalam  bahan mesopori (Gambar 3) dengan ukuran 6,34 nm.  Adanya  -Fe 2 O 3 dalam  zeolit  juga
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
Bilangan gelombang (cm -1 ) % T ( a.u )  -Fe 2 O 3 /zeolit Y
Zeolit Y
menyebabkan  rata-rata  diameter  pori bertambah dari 3,20 menjadi 6,34 nm dan luas  permukaan  berkurang  dari  90,48 menjadi  31,00  m 2 /g.  Tong et  al. ,  (2010) melaporkan bahwa  -Fe 2 O 3 dapat terbentuk  melalui  reaksi  dekomposisi termal  kristal  Fe(NO 3 ) 3  9H 2 O  pada  suhu 300,  500  atau  700 o C  sesuai  dengan persamaan 1 sampai 6
Aktivitas katalis  -Fe 2 O 3 /zeolit Y Dari  hasil  analisis  GC-MS  terhadap diperoleh 16 puncak (Gambar 3).
Berdasarkan penelusuran database library
NIST14.L  menggunakan  program GCMS 5977  Data  Analysis diperoleh  85,89% senyawa-senyawa  alkana  dan  alkena dengan  rantai  C 10 –  C 15 ,  1%  benzene, 1,46%    sikloheksena  dan  9,02  %  asam palmitat  yang  belum  bereaksi  (Tabel  1). Liu et al. (2015) melaporkan bahwa  pada reaksi catalytic cracking asam  palmitat, senyawa  alkana  terbentuk  melalui  reaksi dekarboksilasi.    Reaksi  ini  terjadi  karena interaksi pasangan elektron bebas pada O dari  gugus  karbonil  dengan  situs  asam Lewis  yang  terdapat  pada  katalis  pada suhu  tinggi.  Selanjutnya  senyawa  alkana yang dihasilkan dapat berinteraksi dengan situs  asam  Lewis  yang  terdapat  pada katalis  menghasilkan ion  karbenium  pada tahap ionisasi dan mengalami rantai  pada tahap cracking menghasilkan  senyawa alkena  dengan  rantai  yang  lebih  pendek. Pada  tahap  berikutnya  senyawa  alkena yang  terbentuk  dapat  berinteraksi  dengan situs  asam  Brönsted  menghasilkan  ion karbenium pada tahap ionisasi dan terjadi transfer  hidrogen  membentuk  senyawa alkana (Weitkamp and Puppe, 1999). Pada penelitian ini reaksi dekarboksilasi selama reaksi cracking asam  palmitat  dengan katalis  -Fe 2 O 3 /zeolit  Y  menghasilkan pentadekana  (Gambar  4).  Selanjutnya pentadekana  berinteraksi  dengan  situs asam  Lewis  (L  )  pada  katalis  -
Fe 2 O 3 /zeolit  Y  menghasilkan  ion  2- pentadekanilium  atau  3-pentadekanilium. Dari  reaksi  pemutusan  pada  ion  2- pentadekanilium  menghasilkan  1-propena dan  dodekana.  Adapun  dari  reaksi pemutusan  pada  ion  3-pentadekanilium diperoleh 1-tetradekena dan metana. Pada tahap berikutnya 1-tetradekena berinteraksi  dengan  situs  asam  Brönsted (BH) menghasilkan ion 2-tetradekanilium dan  mengalami  transfer  H  membentuk tetradekana (Gambar 4). Reaksi
pembentukan ion karbonium dan pemutusan  yang  melibatkan  situs  asam Lewis  (L  )  terjadi  juga  pada  tetradekana menghasilkan  metana,  1-propena,  1- tridekena dan tridekana. Interaksi senyawa alkana  dan  alkena  terus  berlanjut  sampai diperoleh 1-dodekana, 1-undekena, undekana  dan  1-dekena.  Selain  reaksi pemutusan  dan reaksi transfer hidrogen, ion  karbonium  juga  reaksi  isomerisasi katalitik (Sadeghbeigi, 2012). Pada catalytic  cracking asam  palmitat  reaksi isomerisasi  katalitik  dapat  senyawa  siklis dan  senyawa  aromatis  (Liu et  al. ,  2015). Pada  penelitian  ini  reaksi  isomerase katalitik  menghasilkan  benzena  dan sikloheksena.
Waktu retensi (menit)
Gambar  3 .  Kromatogram  produk  reaksi cracking asam palmitat
Tabel 1 . Daftar senyawa hasil cracking asam palmitat melalui uji GC-MS Waktu retensi Nama Senyawa Rumus molekul SI ( Similarity index ) Area (%) 4,349 1-Undekena C 11 H 22 95 7,61 4,518 Undekana C 11 H 24 95 9,20 6,363 1-Dodekena C 12 H 24 97 6,82 6,497 Dodekana C 12 H 26 96 9,54 7,724 1-Tridekena C 13 H 26 98 6,57 7,818 Tridekana C 13 H 28 97 8,44 8,749 1-Tetradekena C 14 H 28 98 7,99 8,819 Tetradekana C 14 H 30 97 7,65 9,434 1-Dekena C 10 H 20 93 1,96 9,578 1-Pentadekena C 15 H 30 99 5,95 9,646 Pentadekana C 15 H 32 98 14,16 10,184 Sikloheksena C 6 H 10 42 1,46 10,862 Benzene C 6 H 6 97 1,00 12,408 Asam palmitat C 16 H 32 O 2 99 9,02
Gambar 4. Mekanisme reaksi dekarboksilasi asam palmitat dengan katalis  -Fe 2 O 3 /zeolit Y
Gambar 5. Mekanisme reaksi catalytic cracking pentadekana hasil reaksi dekarboksilasi asam palmitat
Kesimpulan Katalis  -Fe 2 O 3 /zeolit  Y  memiliki rerata  diameter  pori  6,34  nm  dan  luas permukaan  31,00  m 2 /g.  Katalis  ini  dapat digunakan untuk reaksi catalytic cracking
asam  palmitat  menghasilkan  senyawa-
senyawa  berikut  ini  :  1-dekena,    1- undekena, undekana, 1-dodekena,
dodekana  ,  1-tridekena,  tridekana,  1- tetradekena,  tetradekana,  pentadekana, sikloheksena dan benzena.

## Daftar Pustaka
Abdulloh, A., Maryam, S., Aminah, N. S., Triyono, T., Trisunaryanti, W., Mudasir,  M.,  and  Prasetyoko,  D. (2014).  Modification  of  turen’s bentonite with AlCl 3 for esterification of palmitic acid. Bulletin of Chemical Reaction  Engineering  and  Catalysis ,
9 (1), 66–73.
Godhani, D. R., Nakum, H. D., Parmar, D. K.,  Mehta,  J.  P.,  and  Desai,  N.  C. (2017). Zeolite Y encaged Ru(III) and Fe(III)  complexes  for  oxidation  of styrene,  cyclohexene,  limonene,  and α-pinene:  An  eye-catching  impact  of H 2 SO 4 on product selectivity. Journal of  Molecular  Catalysis  A:  Chemical , 426 , 223–237.
Huang,  Y.,  Wang,  K.,  Dong,  D.,  Li,  D., Hill, M. R., Hill, A. J., and Wang, H. (2010).  Synthesis  of  hierarchical porous  zeolite  NaY  particles  with controllable particle sizes. Microporous and Mesoporous Materials , 127 (3), 167–175.
Jiang,  J.,  Jorda,  J.  L.,  Yu,  J.,  Baumes,  L. A.,  Mugnaioli,  E.,  Diaz-Cabanas,  M. J.,  and  Corma,  A.  (2011).  Synthesis
and  Structure  Determination  of  the Hierarchical Meso-Microporous
Zeolite  ITQ-43. Science , 333 (6046), 1131–1134.
Liu, Y., Yao, L., Xin, H., Wang, G., Li, D., and Hu, C. (2015). The production of diesel-like hydrocarbons from palmitic acid over HZSM-22 supported nickel phosphide catalysts. Applied  Catalysis  B:  Environmental , 174 – 175 , 504–514.
Lokhande,  S.,  Doggali,  P.,  Rayalu,  S.,
Devotta,  S.,  and  Labhsetwar,  N.
(2015).  High  catalytic  activity  of  Pt–
Pd containing USY zeolite catalyst for low  temperature  CO  oxidation  from industrial  off  gases. Atmospheric Pollution Research , 6 (4), 589–595.
Prado,  C.  M.  R.,  and  Antoniosi  Filho,  N.
R. (2009).
Production and characterization of the biofuels obtained  by  thermal  cracking  and thermal catalytic cracking of vegetable  oils. Journal  of  Analytical and  Applied  Pyrolysis , 86 (2),  338– 347.
Sadeghbeigi,  R.  (2012). Fluid  Catalytic Cracking Handbook: An Expert Guide to  the  Practical  Operation,  Design, and  Optimization  of  FCC  Units .
Elsevier Science.
Sihombing,  M.  (2017).  Konsumsi  bbm paruh pertama 2017
naik, http://industri.bisnis.com/read/20170
816/44/681587/konsumsi-bbm- paruh-pertama-2017-memben, diakses 3 Oktober 2017 Tong,  G.,  Guan,  J.,  Xiao,  Z.,  Huang,  X., and Guan, Y. (2010). In situ generated gas bubble-assisted modulation of the morphologies,  photocatalytic,  and magnetic  properties  of  ferric  oxide nanostructures synthesized by thermal decomposition of iron nitrate. Journal of  Nanoparticle  Research , 12 (8), 3025–3037.
Weitkamp,  J.,  and  Puppe,  L.  (1999).
Catalysis and Zeolites: Fundamentals and  Applications .  Springer  Berlin Heidelberg.
Zuhri, S. (2017). Impor minyak dan BBM RI bakal terus meningkat,
http://industri.bisnis.com/read/20170 426/44/648331/impor-minyak-bbm- ri-bakal-terus-meningkat, diakses
tanggal 3 Oktober 2017